脉搏和血氧饱和度传感器芯片的研究

摘要

随着半导体技术和现代传感技术的迅速发展及广泛应用，医疗检测设备也越来越微型化、集成化及智能化。因此利用半导体技术来研究一种脉搏和血氧饱和度的测量电路极为重要。本文把测量系统电路集成到芯片上，能够降低测量系统的噪声、功耗和体积，满足便携式医疗设备的要求。
　　采用UMC0.18μm的CMOS标准工艺设计一种脉搏和血氧饱和度传感器芯片，芯片内部电路包括两个模块:脉搏血氧测量电路和流水线模数转换器(Pipelined Analog to digital converter,Pipelined ADC)。本文首先了介绍朗伯-比尔定律(Lambert-Beer)，重点分析了反射式血氧饱和度的测量原理，得到了设计芯片电路的理论模型。然后设计脉搏和血氧饱和度传感器芯片电路。脉搏血氧测量电路主要包括前置放大电路、抑制基漂电路、带通滤波电路和二级放大电路，并依次对各个子电路的性能指标进行仿真。12位Pipelined ADC的关键电路的设计，主要包括采样开关电路，高速比较器，电压基准源，乘法模数转换器(Multiplicative analog to digital converter,MDAC)单元和数字校准电路。最后分别对两个模块电路进行仿真，并且设计芯片版图。
　　在1.8V的工作电压下，测量电路在带宽(6.5Hz～8.5kHz)范围内的系统增益为63dB，等效输入积分噪声为22.326μV，功耗为42.7mW。这样可有效减小测量系统的噪声，降低和抑制带外噪声，且能减小测量系统整体面积，适合对微弱幅度的生物医学信号的处理。Pipelined ADC的分辨率为12位，采样速率为1MHz，在9.303kHz的输入正弦信号下，SNR为68.2016dB、SNDR为61.7818dB、SFDR为64.2785dB,ENOB=10.9bit。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究进展

1．3 本文主要研究内容

1．4 论文组织结构

第二章 血氧饱和度检测理论

2．1 血氧饱和度概述

2．2 血氧饱和度检测原理

2．2．1 朗伯-比尔定律

2．2．2 反射式测量原理

2．3 本章小结

第三章 脉搏血氧测量电路设计

3．1 前置放大电路设计

3．1．1 前置放大电路设计

3．1．2 低噪声运放A1设计

3．1．3 前置放大电路仿真及分析

3．2 抑制基漂电路设计

3．3 带通滤波器电路设计

3．4 二级放大电路设计

3．5 本章小结

第四章 流水线ADC电路设计

4．1 模数转换器工作原理

4．2 模数转换器性能指标

4．2．1 静态性能指标

4．2．2 动态性能指标

4．3 流水线ADC电路设计

4．3．1 采样保持电路

4．3．2 栅压自举开关

4．3．3 比较器设计

4．3．4 基准源电路

4．3．5 MDAC设计

4．3．6 数字后台校准

4．4 本章小结

第五章 电路仿真和版图设计

5．1 脉搏血氧测量电路仿真

5．2 流水线ADC仿真

5．3 版图设计分析

5．3．1 版图设计的匹配合对称

5．3．2 版图设计的基本技巧

5．3．3 芯片版图设计

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文工作总结

6．2 后续工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢